一種自動翻轉吊卡的研制

江連會 周斌 譚躍剛 黃安貽 王雄 王龍渤

1.武漢理工大學機電工程學院；2.荊州市明德科技有限公司；3.中國石化石油工程機械有限公司研究院；4.渤海鉆探工程有限公司管具技術服務分公司

隨著我國多數油田都已進入了原油開采的中、后期階段，修井作業也隨之越來越繁重。為降低工人的勞動強度，增加操作安全性，修井作業自動化研究成為目前研究的熱點［1-3］。起下管柱作業是修井作業中最常見的作業形式，吊卡是起下作業中最關鍵的裝置之一。目前修井作業吊卡的操作主要還是以人工為主，工人勞動強度高、安全性低。自動吊卡可以降低工人的勞動強度，增加操作安全性，成為了國內外研究開發的重點。目前國內外自動吊卡主要是液壓翻轉式吊卡［4-9］。根據我國修井作業裝備情況，為節省成本，在手動吊卡基礎上，研制了氣壓翻轉式自動吊卡。

1 自動吊卡結構和參數

Structure and parameters of automatic elevator

1.1 結構

Structure

自動吊卡主要由吊卡體、活頁、翻轉機構、活頁開關機構、上鎖舌開關機構和下鎖舌開關機構等組成，結構如圖1所示。活頁開關機構用于推動活頁關閉和打開，實現油管的卡住和釋放。上鎖舌開關機構和下鎖舌開關機構實現活頁與吊卡的鎖死和解鎖，保證起吊油管的安全性。翻轉機構實現吊卡的翻轉，方便吊卡卡住油管。支架用于保護和支撐上述機構。

圖1 自動吊卡結構示意圖Fig. 1 Schematic structure of automatic elevator

1.2 主要設計參數

Main design parameters

自動吊卡的重量為77.5 kg，自動吊卡在圖1位置時的長寬高為660 mm×482 mm×1 180 mm，活頁最大旋轉角度為100°，吊卡最大翻轉角度為75°，額定載荷為4 000 kN，適用油管外徑73.02 mm。

2 翻轉機構

Turnover mechanism

翻轉機構是自動吊卡最主要的部件之一。當自動吊卡處于如圖1所示的垂直位置時，翻轉機構運動簡圖如圖2所示。在圖1位置時，翻轉機構的長寬高為660 mm×482 mm×950 mm。氣缸收縮時，帶動吊卡體翻轉；氣缸伸長時，帶動吊卡體返回，最終到垂直位置。根據自動吊卡的幾何空間布局，D、C點的位置是確定的，A點豎直方向的位置也是確定的，A點水平方向的位置可在一定范圍內變動，優化A點水平方向的位置讓翻轉機構的性能達到最優。

圖2 翻轉機構運動簡圖Fig. 2 Schematic movement of turnover mechanism

吊卡翻轉的目的是順利抓取從貓道等拉排管裝置送上的油管。在不同修井工況下，貓道等拉排管裝置送上油管的傾斜角度（油管與水平面的夾角）范圍一般為5～35°。當吊卡軸線與油管軸線平行且吊卡與油管貼合時，關閉吊卡活頁可以順利實現油管的抓取。由于貓道等拉排管裝置送來的油管傾斜角度不同，抓取油管時，調整吊卡軸線傾斜角度與油管軸線傾斜角度一致的方法有兩種。（1）通過檢測和控制系統調整吊卡的翻轉角度與油管的傾斜角度一致，這樣做對控制系統的要求高，相應的成本比手動吊卡也會增加很多。（2）根據觀察，井口操作人員在翻轉吊卡時，并沒有和貓道等拉排管裝置送上來的油管的傾斜角度完全一致，吊卡在重力的作用下自動和油管吻合，利用這一現象，根據貓道等拉排管裝置送上的油管傾斜角度的范圍，我們把吊卡的翻轉角度定為75°，當吊卡的前部和油管接觸后，釋放翻轉機構，吊卡在重力的作用下，完全和油管吻合，從而可以實現油管的抓取，這樣做既可以實現油管的抓取，控制系統也較簡單，相比手動吊卡成本增加不大。通過比較，選擇第2種方式實現油管的抓取。

3 翻轉機構運動學與動力學仿真

Kinematics and dynamics simulation of turnover mechanism

利用CAD軟件建立自動吊卡的虛擬設計模型，如圖1所示，然后把該模型導入到ADMAS軟件中，將摩擦系數設置為0.3，氣缸的拉力和推力設置為994 N，分別對A點在水平方向的五個位置對翻轉機構進行運動學和動力學仿真分析。

圖3 氣缸收縮距離與吊卡翻轉角度關系曲線Fig. 3 Relationship between the shrinkage distance of cylinder and the turnover angle of elevator

圖3為A點在水平方向不同位置時，氣缸收縮距離和吊卡翻轉角度的關系曲線。水平位置1時（如圖中曲線1所示），初始條件下，氣缸最大收縮250 mm，對應吊卡的最大翻轉角度為60°，達不到最大翻轉角度為75°的要求。位置2～5都可以達到吊卡翻轉75°的要求。位置2吊卡的最大翻轉角度為77°左右，考慮擾動的影響，也予以排除，位置3～5都能夠實現吊卡穩定翻轉75°的要求。

圖4為吊卡翻轉角度、角速度和角加速度曲線圖。從圖中曲線可以看出，位置3（對應圖中曲線3）的翻轉速度較快，翻轉較穩定。因此確定位置3（如圖2）為A點的最終水平位置。位置3的最大翻轉角度為82.2°，在0.21秒時達到最大翻轉角度，氣缸收縮的距離為299.9 mm。

4 實驗

Experiment

依據優化結果，設計制作了自動吊卡裝置。在994N氣缸力的作用下，吊卡最大翻轉角度為79.6°，在0.22秒時達到最大翻轉角度，最大翻轉角度時，氣缸收縮的距離為295.6 mm。吊卡最大翻轉角度誤差為3.16%，仿真結果與實驗結果誤差較小，在允許范圍內。

在現場環境進行了實驗：翻轉機構翻轉平穩、快速；吊卡門開關機構開閉穩定、迅速；可以順利抓取與水平面夾角為0°～50°、直徑為73.02系列的油管；鎖舍啟閉靈活，保證了吊卡的安全。操作人員遠離吊卡遙控操作，保證了操作人員的安全。實驗數月，運行一直平穩。

5 結論

Conclusions

在手動吊卡的基礎上，加裝自動執行機構，實現了手動吊卡到自動吊卡的升級。應用Admas軟件，對自動吊卡的翻轉機構進行了優化設計。依據優化結果，制作了自動吊卡裝置，并進行了翻轉實驗，仿真結果與實驗結果非常接近。應用Admas軟件對設計模型進行仿真并優化，可以減少實驗裝置的制作，節約成本。

圖4 吊卡翻轉運動學曲線Fig. 4 Kinematics curve of the turnover of elevator

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